无碳复写纸涂料废水处理工程设计

刘映尧 何宇娜 陈 港 方志强 王钦雯

（华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640）

无碳复写纸属于涂布加工纸，产品有上纸（CB纸）、中纸（CFB 纸）和下纸（CF 纸）[1]，涂料有下纸（CF）和上纸（CB）两种涂料。生产无碳复写纸的涂布机有单面涂布机和双面涂布机，涂布方式主要有气刀涂布和刮刀涂布。上纸和中纸的生产采用气刀涂布，下纸的生产可以采用气刀涂布和刮刀涂布等方式。无论是使用单面涂布机、双面涂布机或者是气刀涂布、刮刀涂布，在涂布过程或产品转换时均会产生一定的废水，虽然废水量不大，但污染物浓度较高，生产色纸时产生的废水还有一定的色度，这些废水如不经过处理直接排放，必然会对环境造成影响。根据涂布纸厂的经验，配制出来的涂料最终会有2%～15%成为废水，即使在大型、品种单一、很少进行品种更换且生产效率高的涂布纸厂，通常也有2%～6%的流失[2-3]。因此企业需建设一座废水处理设施，对该项目产生的废水进行处理，废水经处理达标后方可排放。

1 工程背景

广西某企业是一家生产无碳复写纸的企业，产量约为3 万t/a。该企业生产过程排出的废水主要是涂布生产过程以及清洗涂布机机头和贮料罐等设备时产生的涂料废水，废水量约为240 m3/d。废水中主要含有改性淀粉、羧基丁苯胶乳等胶黏剂，高岭土、轻质碳酸钙等颜料，发色剂微胶囊，显色剂酚醛树脂、水杨酸锌以及染料等残余化工料。废水特点是废水量小、污染物（如SS、COD 和BOD）浓度比较高。

2 废水处理工程设计

2.1 设计水量

涂料废水处理设计总水量为240 m3/d，废水处理设施每天运行24 h，平均废水处理量为10.0 m3/h。

2.2 设计进水水质

无碳复写纸涂料废水水质见表1。

表1 涂料废水水质Table 1 Coating waste water qualities

2.3 设计出水排放要求

主要污染物排放执行GB 3544—2008《制浆造纸工业水污染物排放标准》中表2规定的新建企业水污染物排放限值[4-5]。

2.4 废水处理工艺流程

废水处理工艺流程见图1。

表2 涂料废水出水水质Table 2 Coating waste water emission qualities

2.5 废水处理工艺

2.5.1 工艺流程

（1）涂料废水自流进入集水池，再由废水提升泵泵送到废水调节池均衡水质。

（2）调节池废水由废水泵抽取，经反应罐并在反应罐中加入絮凝剂1、絮凝剂2 和助凝剂充分反应后进入高效废水净化器。

图1 工艺流程Fig.1 Process flow

（3）清水由高效废水净化器的顶部出来，进入清水过渡池，再由清水泵1泵送到塔式生物滤池，清水经过塔式生物滤池处理后进入集水池，再由清水泵送2 泵到Fenton 反应池，并在Fenton 反应池中加入Fen⁃ton试剂。

（4）清水经Fenton 反应池深度氧化后进入中和池，在中和池中加入NaOH 调节pH 值再进入除铁曝气池，然后再进入混凝反应池，并在混凝反应池中加入聚丙烯酰胺（PAM）。

（5）经混凝反应池反应的水进入沉淀池，沉淀池上清液达到排放标准直接排放，沉淀池污泥由污泥泵泵送到污泥浓缩罐进一步浓缩，再由污泥泵泵送到脱水机脱水至达到干度要求后运走。

（6）高效废水净化器的污泥在底部排出，靠高效废水净化器与污泥浓缩罐之间的液位差压到污泥浓缩罐；塔式生物滤池产生的污泥和污泥浓缩罐浓缩后的污泥由污泥泵泵送到脱水机脱水至干度要求后运走，脱水机产生的过滤水回到涂料废水集水池。

2.5.2 工艺说明

本废水处理设计采用一级物化、二级生化和深度氧化相结合的工艺[6]。

（1）一级物化工段：采用“高效废水净化器”代替传统的一级物化处理工艺（如普通沉淀池或气浮等），是因为“高效废水净化器”相比传统的一级物化处理工艺具有污染物去除效果更好的优点。“高效废水净化器”是华南理工大学特种纸团队根据传统的一级物化处理工艺存在污染物去除效率低的问题而研制的高效净化设备，是将废水的反应、混凝、沉淀、澄清、过滤和吸附等工序集中设计在一个罐体内进行。“高效废水净化器”的原理是利用废水与混凝剂反应生成的絮凝物即“污泥”在罐体内形成一个稳定的“过滤吸附流化床”，废水通过这个“过滤吸附流化床”的泥层过滤与吸附，不但使废水得到固液分离，而且得到了类似“活性炭吸附”的净化处理。废水在“高效废水净化器”罐体中完成了“沉淀”“过滤”和“吸附”多种处理工艺，与传统的一级物化处理工艺（混凝沉淀或气浮）只是将固形物与废水分离而得不到进一步净化处理不同，“高效废水净化器”不但具有传统的一级物化处理工艺特点，而且能对废水进一步深度处理（“过滤”和“吸附”），对废水的污染物去除率比传统的一级物化处理工艺高20%～30%[2]。“高效废水净化器”的特点是：占地面积小；投资、运行费用低；操作简单、管理方便；在设备内没有滤料，不会堵塞和不需反冲洗。

（2）生化工段：采用塔式生物滤池是因为废水量不大和塔式生物滤池占地面积小，能承受较大的有机物和毒物的冲击负荷，一般采用自然通风，常用于处理高浓度的工业废水[7]。

（3）深度氧化工段：采用Fenton 氧化法对废水进行处理，Fenton 氧化法是将硫酸亚铁与过氧化氢相结合的一种深度处理工艺，利用硫酸亚铁和双氧水的强氧化还原性，两者在pH 值为3.5 左右时发生反应，生成强氧化性的羟基自由基（·OH）[8]，羟基自由基的高氧化能力（氧化电势达到2.80 V，是除元素氟外最强的无机氧化剂）［9]与废水中的有机物反应，可分解氧化有机物，特别是难以氧化的芳香类化合物和杂环类化合物，从而降低废水中生物难分解的COD。

2.6 主要设备选型

（1）废水调节池。A3钢制，外型尺寸：Φ4000 mm×3500 mm，有效容积约42 m3，配潜水泵搅拌。

（2）高效废水净化器。A3钢制，外型尺寸：Φ2600 mm×9500 mm，有效容积约41 m3，废水停留时间约3.9 h。

（3）塔式生物滤池［7］。A3钢制，外型尺寸：Φ2200 mm×14500 mm，BOD 容积负荷约2000 g BOD5/（m3滤料·d），滤料为直径Φ50 mm 的鲍尔环，总容积约46 m3。

（4）污泥浓缩罐。A3钢制，外型尺寸：Φ3000 mm×5500 mm，有效容积约为33 m3，污泥停留时间约12 h，污泥上升流速约为0.1 mm/s。

（5）脱水机。每天污泥总量约为18 m3/d（污泥浓度约1.5%），污泥经叠螺脱水机脱水后干度大于18%，叠螺脱水机，型号：KTDL252，流量Q=3 m3/h，总功率1.47 kW。

2.7 主要建（筑）物设计参数

主要建（筑）物设计参数见表3。

3 工程运行效果

整个工程在3 个月完成，然后进行调试，调试完成后，连续2天对该废水处理工程进出水水质进行检测，检测结果如表4 所示。从表4 可以看出，出水水质各项指标均能满足GB 3544—2008《制浆造纸工业水污染物排放标准》中表2规定的新建企业水污染物排放限值的要求[4]。

4 工程投资概算及运行费用分析

该项目工程投资包括：设备、材料及电器购买、设备加工、土建工程、设备运输及安装等，总投资86万元。废水处理直接运行成本如下。

表3 设计参数Table 3 Design parameters

表4 监测数据Table 4 Monitoring data

（1）人工费

本废水处理站设操作工3 人（每班1 人），按4000 元/（人·月）计处理每吨废水费用为：4000×3÷30÷240=1.67（元/t废水）。

（2）实际使用药剂费

①混凝剂1 用量按0.20～0.25 kg/m3计，每吨废水需混凝剂1费用：1.60×0.25=0.40（元/t废水）。

②混凝剂2 用量按0.04～0.06 kg/m3计，每吨废水需混凝剂2费用：2.2×0.06=0.13（元/t废水）。

③助凝剂用量按0.006～0.008 kg/m3计，每吨废水需助凝剂费用：9×0.008=0.07（元/t废水）。

④Fenton 系统药剂（含浓硫酸、硫酸亚铁、过氧化氢和氢氧化钠）总费用：每天约530元，折算为每吨水费用为：530÷240=2.21（元/t废水）。

以上药剂费用合计：0.40+0.13+0.07+2.21=2.81（元/t废水）。

（3）电费

废水站每天耗电量约为306 kWh，电费按0.62元/kWh 计，处理废水需电费：0.62×306÷240=0.79（元/t废水）。

直接运行总费用（不含维修费、折旧费、企业管理费等）合计为：1.67+2.81+0.79=5.27（元/t废水）。

5 结 语

针对无碳复写纸废水量小、污染物浓度高的特点，本项目设计采用一级物化（高效废水净化器）、生化（塔式生物滤池）和深度氧化（Fenten 氧化法）相结合的工艺对废水进行处理。运行表明，该设计合理、处理效果好、管理方便。CODCr去除率达97.8%、BOD5去除率达98.3%、SS 去除率达95.9%，出水各项指标均达到了GB 3544—2008《制浆造纸工业水污染物排放标准》中表2规定的新建造纸企业水污染排放限值，为同类废水项目及新建项目提供参考。